风力发电机基塔设计算例

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1、风力发电机塔基设计算例Tjjg1设计概况风机塔的结构形式主要有钢、混凝土、预应力混凝土、钢/混凝土混合结构。为了对比采用不同结构体系风力发电机塔的经济技术指标，对装机容量为3.6MW、风机轴线高100m的钢管及预应力钢筋混凝土两种结构形式分别进行设计。其中钢塔的材料分别考虑Q235和Q390两种情况，混凝土塔采用C60。风力发电机设备荷载取自LWSTPhaseⅠProjectConceptualDesignStudy及WindPACT公开发布的研究报告。风力发电机塔的结构设计依据中华人民共和国颁布的现行设计规范及标准，主要包括：建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）、混凝土结构设计

2、规范（GB50010－2002）、建筑抗震设计规范（GB50011－2001）、钢结构设计规范（GB50017－2003）、建筑结构荷载规范（GB50009－2001）。两类钢塔（tower1、tower2）及预应力混凝土塔（tower3）的主要技术指标见表1。其中钢塔的设计控制荷载是风荷载组合，混凝土塔的设计控制荷载为地震效应组合。表1Tower1（钢塔）Tower2（钢塔）Tower3（预应力混凝土塔）风机直径108.4m108.4m108.4m塔顶重量3155kN3155kN3155kN设计强度fy=205MPafy=335MPafcu=60MPa塔顶外径4.0m4.6m3.6m塔顶壁

3、厚20mm25mm460mm中部外径5.6m6.2m5.6m中部壁厚32mm32mm610mm塔底外径7.6m8m7.9m塔底直径32mm32mm760mm塔身自重3671kN4320kN28335kN塔顶侧移s1.542m1.094m0.506m塔顶侧移w1.655m1.106m0.568m自振频率0.322Hz0.358Hz0.454Hz基底轴力8191kN8191kN32121kN基底剪力2159kN2213kN2310kN基底弯矩230898kN.m232767kN.m250627kN.m塔底截面应力比0.5130.7711钢塔设计钢塔的设计主要包括截面初选、模态分析、内力计算、截面

4、验算、屈曲分析、疲劳验算等步骤。主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。机组拟建上海地区，抗震设防烈度为7度，基本风压设计值0.55kN/m2。而且与混凝土结构相比钢结构自重较小，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是风荷载。由于缺乏可信的组合系数，所以不考虑风机荷载的效应的组合，将其与地震作用、风荷载效应分别直接组合确定最不利设计内力。2.1设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作用。不考虑温度作用的影响。2.1.1结构自重根据钢结构设计规范（GB50017－2003）本设计钢材密度取ρ＝7800kg/m3，弹性模量Es＝200×10

5、9N/m2，Q235设计强度取205MPa、Q390设计强度取335MPa。由此计算的tower1和tower2的结构自重标准值分别为3059kN、3600kN。2.1.2风机荷载风力发电机及其配套和附属设备传给塔身的荷载通常有设备厂商提供，有六个荷载分量确定。荷载包括了风机叶轮工作时承受的风压及离心力；风机传动轴的周期荷载；设备自重等。在风机塔设计中该荷载的影响很大，应该仔细研究其取值及和其它荷载的组合方法。本设计考虑极限风速（59.5m/s）时风机（3.6MW）荷载（LWSTPhaseⅠProjectConceptualDesignStudy）：Fx＝636kN、Fy＝881kN、Mx＝

6、14179kN.m、My＝8950kN.m、Fz＝3155kN。其中x为顺风方向，y为侧向，z为满足右手规则的竖直方向。2.1.3风荷载通过长期的实践，人们认识到风对塔身的直接作用可以分速度、方向基本不变的稳定风和随机变化的脉动风。本设计采用建筑结构荷载规范（GB50009－2001）规定的风荷载计算方法考虑风对塔身的作用。具体方法是考虑风压随高度的变化，结构体型的影响，及风振的效应将风荷载等效为静力荷载，进而求得结构在风荷载下的响应。本设计不考虑横向风振作用。风荷载标准值ωk＝βzμsμzωo基本风压ωo＝0.55kN/m2。规范给出50年一遇的风压，它是根据空旷平坦地面，离地10m高处的

7、10分钟平均风速计算而得。风压高度变化系数μz按地面粗糙度B类根据建筑结构荷载规范（GB50009－2001）表7.2.1查取。μz是考虑地面的摩擦，风压沿着高度会发生的变化。此处B类指的是田野、乡村、城郊等没有密集建筑群的场地。风荷载体型系数μs根据建筑结构荷载规范（GB50009－2001）表7.3.1查取。该系数主要修正建筑物外形对实际风压作用的影响。风振系数βz根据建筑结构荷载规范（GB50009－2